Les mouvementsLes planètes

Les mouvementsLes mouvements

1 - La Terre tourne sur elle-même

2 - La Terre et les planètes tournent autour du Soleil

3 - Le Système solaire tourne dans la Galaxie

rotation autour de l’axe des pôlesrévolution autour du Soleil

= deux mouvements corrélés qui expliquent l’alternance journée nuit

et les saisons

Les mouvements de la TerreLes mouvements de la Terre

MOUVEMENT DIURNE: MOUVEMENT DIURNE: ROTATIONROTATION DE LA DE LA TERRE AUTOUR DE SON AXETERRE AUTOUR DE SON AXE

• La Terre tourne sur elle-même, en un jour,

= 23h 56 min

• Autour d’un axe joignant le pôle Nord au pôle Sud;

• Cet axe du monde prolongé coupe le ciel étoilé en un point appelé « pôle céleste »; le pôle céleste Nord se trouve près de l’« étoile polaire ».

• C’est le mouvement diurne qui explique la succession des journées et des nuits.

Cette rotation se fait d’Ouest en Est et entraîne les phénomènes du lever vers l’Est et du coucher vers l’Ouest des astres.

le Soleil, la Lune et les étoiles semblent tourner d’Est en Ouest,

et décrire des cercles

autour du pôle céleste,

cercles d’autant plus grands que les astres sont situés loin du pôle, l’étoile polaire semblant presque immobile.

MOUVEMENT ANNUEL:MOUVEMENT ANNUEL: RRÉÉVOLUTION VOLUTION DE DE LA TERRE AUTOUR DU SOLEILLA TERRE AUTOUR DU SOLEIL

• La Terre décrit un tour autour du Soleil en un an, dans un plan appelé « écliptique »(c’est le plan moyen du système solaire). Donc la Terre tourne 365 fois 1/4 sur elle-même pendant qu’elle fait, dans le même sens, un tour autour du Soleil.

• Pendant cette révolution annuelle, l’axe de rotation de la Terre reste parallèle à lui-même, mais est incliné de 23.5°par rapport à la normale au plan de l’écliptique.

• Le solstice d’été : la direction du Soleil est au plus haut au-dessus de l’équateur = + 23,5°

• Le solstice d’hiver : la direction du Soleil est au plus basen-dessous de l’équateur = - 23,5°

• Les équinoxes : la direction du Soleil estdans l’équateur = 0°

LES SAISONS vues depuis lLES SAISONS vues depuis l’’espaceespace

LES SAISONS vues depuis la TerreLES SAISONS vues depuis la Terre

• En été, le Soleil décrit une courbe plus longue et plus haute dans le ciel qu’en hiver.

La journée est donc beaucoup plus longue en été qu’en hiver (16 heures en été contre 8 heures en hiver, en France).

• Les rayons solaires tombent plus inclinés sur la surface de la Terre en hiver qu’en été, et de ce fait le sol est moins chauffé en hiver.

MOUVEMENT DE PRECESSIONMOUVEMENT DE PRECESSION

L’axe du monde n’est pas fixe dans l’espace. La Terre est animée d’un mouvement de toupie très lent; l’axe du monde tourne en environ 26000 ans autour de la perpendiculaire au plan écliptique.

Ce mouvement de la Terre est comparable à celui d’un gyroscope. Il a deux conséquences importantes.

1) Le pôle Nord céleste, actuellement près de l’étoile dite polaire, a une position variable.

Dans environ 12000 ans, il sera situé près de Véga.

Le cercle apparent que le pôle décrit en 26000 ans dans le ciel est appelé: cercle de précession.

2) Comme l’axe s’incline,l’équateur va couper l’écliptiquede plus en plus « tôt », donc le« point vernal » avance: c’est la « Précession des équinoxes ».L’année des saisons est plus courte(365,24 jours) que l’année sidérale(365,25 jours).

Les planètes décrivent

des orbites quasi-circulaires

autour du Soleil

• dans le même sens

• dans env. le même plan

• mouvement décrit par les

lois de Kepler

qui s’appliquent à tous les

corps orbitant autour du Soleil

2 2 –– Le mouvement des planLe mouvement des plan èètestesautour du Soleilautour du Soleil

Lois de KeplerLois de Kepler• 1ère loi: les planètes décrivent des

ellipsesdont le Soleil occupe un foyer Fde faible excentricité e : c = e x aPour la Terre: e = 0,017 avec a = 149,6. 106 km

donc c = 2,5 . 106 kmPérihélie: distance minimale = 147,1 millions kmAphélie: distance maximale = 152,1 millions km

APHELIE PERIHELIE

Lois de KeplerLois de Kepler• 2ème loi: des surfaces égales sont

balayées en des durées égales

���� la Terre avance plus vite sur son orbite près du Périhélie

Lois de KeplerLois de Kepler

• 3ème loi: a3 / P² = constantepour toutes les planètes du système solaire

� Mesurer les périodes de révolution P donne les distances a au Soleil

si a = 1 UA (distance Terre-Soleil)

si P = 1 an a3 / P² = 1

Le mouvement dans la GalaxieLe mouvement dans la Galaxie

•• le Soleil le Soleil –– avec la Terre avec la Terre et les autres planet les autres plan èètes tes --tourne autour du centre tourne autour du centre de la Galaxiede la Galaxie

•• Distance Soleil Distance Soleil –– centre centre galactique D=8 kpcgalactique D=8 kpc

•• Taille de la galaxie: Taille de la galaxie: D~30 kpcD~30 kpc

Estimation de la masse de la galaxie -un peu de math…

D: distance soleil – centre galactiquev: vitesse de rotation du soleilM: masse incluse dans le rayon DG: constante de gravitation

Principe fondamentale: Fc=mv2/D

Force d’attraction gravitationnelle:Fg=mMG/D2

Équilibre entre les forces: Fc=Fg

Masse totale: M=rv2/G

+

D

v

Centre galactique

soleil

Les planètes

distances au Soleil périodes

millions km UA ans

Mercure 58 0,39 0,24

Venus 108 0,72 0,62

Terre 150 1 1

Mars 228 1,52 1,88

----astéroïdes……….

Jupiter 780 5,2 11,86

Saturne1400 9,5 29,5

Uranus 2900 19,2 84

Neptune4500 30 165

(Pluton 6000 39 248)

Les planètes

• Le soleil représente 99% de la masse du système solaire

• Mais le soleil représente seulement 2% du moment cinétique: J=m x v x r,

masse du soleil/de la planète, v: vitesse de rotation, r: rayon du soleil/distance du soleil

• Les propriétés physiques des planètes sont conditionnées par leur distance au soleil

• Deux catégories de planètes: telluriques et joviennes• La rotation des planètes est dans le même sens que

l’orbite (sauf Venus)

telluriques joviennes

• Prototype: terre• Diamètre et masse

faibles• Densité importante• Proche du soleil• pas ou peu de satellites• Mercure, Venus, la Terre,

Mars

• Prototype: Jupiter• Grands diamètre et

masse (~1000x les planètes telluriques)

• Densité faible• Loin du soleil• plusieurs satellites• anneaux• Jupiter, Saturne, Uranus,

Neptune

L’existence de gaz autour d’un noyau de planète

Pour une particule de gaz de masse m et de vitesse v:Énergie cinétique: Ec=0.5mv2

Énergie potentielle (gravitation): Eg=GMm/RVitesse de libération: vL

2=2GM/RVitesse thermique: vT

2=3kT/mM: masse de la planète, R: distance du centre de la planète, T: température, k: constante de Boltzmann

la limite de la température pour que le gaz ne s’échappe pas: Tlim=2GmM/(3kR)

MR

T

noyau de planete/planète

particule de gaz

couche de gaz

Le gradient thermique imposé par la distance au soleil

• Équilibre entre l’énergie du rayonnement absorbée et rayonnée

• Énergie absorbée: Eabs=C(1-A)πR2/D2

• Énergie rayonnée: corps noir (Stefan-Boltzmann): Er=σT4(4πR2)C: constante, A: albédo, R: rayon de la planète, D: distance planete-soleil, T: température, σ: constante de Stefan-Boltzmann

Température à l’équilibre: Teq proportionnelle àl’inverse de la racine carrée de la distance D

Attention à l’effet de serre

Conclusions

Cas limite: Tlim = Teq

Conditions pour garder du gaz autour d’unnoyau de planète ou d’une planète:• Endroit loin du soleil• Grand M/R, c’est-à-dire grande masse

et/ou petite taille

Les masses des planètes

• Détermination de la masse par la période orbitale d’un satellite (lune)

• Ou par la perturbation des orbites des autres planètes

Planètes distance période eccentricite masseMercure 0.34 0.241 0.2056 0.0558Venus 0.72 0.615 0.0068 0.8148Terre 1.00 1.000 0.0167 1.0000Mars 1.52 1.881 0.0934 0.1078Jupiter 5.20 11.86 0.0485 317.82Saturne 9.54 29.46 0.0056 95.11Uranus 19.2 84.02 0.0472 14.52Neptune 30.1 164.79 0.0086 17.22(Pluton 39.8 250.61 0.2534 0.00258)

L’intérieur des planètes

Les atmosphères des planètes telluriques

Mercure: trop près du soleil -> pas d’atmosphèreN2 + O2 CO2

CO2

Les atmosphères de planètes joviennes

Exemple: Jupiter

H2 + He

La composition chimique des atmosphères

• Détermination de la composition chimique par observations des spectres optique (occultation), infra-rouge et radio

• Comparaison des modèles avec les observations

Spectre IRobservé par la sonde Galileo

Spectre radio observé au sol

Jupiter:

Terre:

Jupiter:

Les anneaux des planètes joviennes

• Les anneaux sont fait d’une multitude de particules solides

• Cisaillement des satellites par les forces de marée

• Les divisions sont dues aux interactions des satellites avec l’anneaux

• Les anneaux ont une durée de vie finie

La formation du système solaireImportant: * le nuage protostellaire est en rotation

* conservation du moment cinétique pendant l’effondrement gravitationnel

Age du système solaire: ~4.5 milliards d’années

Les astéroïdes

• « Petits » corps solides parsemés dans l’espace interplanétaire (100 - 1000 km)

• De nombreux astéroïdes circulent entre 2.5 et 3.5 UA, leur orbite est influencée par Jupiter - ils contiennent seulement 3/1000 de la masse terrestre

• La ceinture de Kuiper – des objets transneptuniens -> Pluton est plutôt un grand astéroïde qu’une neuvième planète

Les comètes

• Astéroïdes au bord de la ceinture de Kuiper (sphère de Oort) constitués de roche et de glace (100000 UA – 1.5 AL)

• « boules de neige sales » de moins de 10 km• Nombre de « noyaux cométaires »: 100 milliards, masse

~1/10 de la masse terrestre• Changement d’orbite du à une interaction

gravitationnelle entre le noyau cométaire et une étoile voisine ou une planète

• Orbites elliptiques très allongées• Nombre de comètes observées: ~100• 70 comètes ont une période orbitale entre 3 et 9 ans

Les comètes

• Quand une comète s'approche du Soleil, elle se réchauffe petit àpetit; ses matériaux volatils commencent à se sublimer; des gaz et des poussières sont alors libérés dans l'espace

• Composantes:noyau , chevelure (sorte d’atmosphère assez dense entourant le noyau)queue de poussières : la partie la plus remarquable d'une comète observée à l'oeil nu; jusqu'à 10 millions de kilomètres de long, souvent courbe, elle est composée de très petites particules de poussières -aussi fines que de la fumée-, emportées hors du noyau par les gaz qui s'en échappent. La pression de radiation solaire qui repousse ces particules à l'opposé du Soleil; elles sont visibles parce qu'elles sont éclairées par le Soleil.queue de ions : elle est composée de gaz ionisé par la lumière

ultraviolette du Soleil. Elle est plus rectiligne et généralement plus longue que la queue de poussières. Le vent solaire repousse cette queue à l'opposé du Soleil; sa forme complexe est due àl'interaction du champ magnétique induit par ce vent solaire.

Les étoiles filantes

• Restes de comètes: pluies d’étoiles filantesquand l’orbite de la terre croise celle d’une comète

• Météores : corps très petit (« cailloux ») sillonnant le milieu interplanétaire qui entre dans l’atmosphère terrestre ou ils brûlent

• Météorites: m étéore qui atteint la surface de la terre

Le système solaireÉchelle spatiale: UA

La quête des exoplanètes

temps

brill

ance

temps

vite

sse

radi

ale